수리논술, 이게 다다.

자연계열 (2차) 1번

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문제

[가] 두 초점 F(c,0)\displaystyle \mathrm{F}(c,0), F′(−c,0)\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}(-c,0)으로부터의 거리의 합이 2a\displaystyle 2a인 타원의 방정식은 다음과 같다.x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 (단, a>c>0\displaystyle a>c>0, b2=a2−c2\displaystyle b^2=a^2-c^2)

[나] 타원 x2a2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 위의 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm{P}(x_1,y_1)에서의 접선의 방정식은 다음과 같다.x1xa2+y1yb2=1\displaystyle \frac{x_1x}{a^2}+\frac{y_1y}{b^2}=1

[다] tan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡β\displaystyle \tan(\alpha+\beta)=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}, tan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β\displaystyle \tan(\alpha-\beta)=\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}

제시문 [가]~[다]를 참고하여 다음 물음에 답하시오.

두 초점이 F(3b,0)\displaystyle \mathrm{F}(\sqrt3b,0), F′(−3b,0)\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}(-\sqrt3b,0)인 타원 x24b2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{4b^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 위의 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm{P}(x_1,y_1)이 ∠F′PF=90∘\displaystyle \angle\mathrm{F}^{\prime}\mathrm{PF}=90^\circ를 만족시킨다. 문항 【1-1】과 【1-2】에 답하시오. (단, b>0\displaystyle b>0이고 x1>0\displaystyle x_1>0, y1>0\displaystyle y_1>0)

【1-1】 F′P‾=l1\displaystyle \overline{\mathrm{F}^{\prime}\mathrm{P}}=l_1이고 FP‾=l2\displaystyle \overline{\mathrm{FP}}=l_2라고 할 때, l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2의 곱 l1l2\displaystyle l_1l_2를 구하시오. 또한 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2를 각각 구하시오.

【1-2】 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm{P}(x_1,y_1)의 좌표를 구하시오.

두 초점이 F(3b,0)\displaystyle \mathrm{F}(\sqrt3b,0), F′(−3b,0)\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}(-\sqrt3b,0)인 타원 x24b2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{4b^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 위의 점 Q(x2,y2)\displaystyle \mathrm{Q}(x_2,y_2)가 ∠F′FQ=135∘\displaystyle \angle\mathrm{F}^{\prime}\mathrm{FQ}=135^\circ를 만족시킨다. 문항 【1-3】과 【1-4】에 답하시오. (단, b>0\displaystyle b>0이고 x2>0\displaystyle x_2>0, y2>0\displaystyle y_2>0)

【1-3】 F′Q‾=l3\displaystyle \overline{\mathrm{F}^{\prime}\mathrm{Q}}=l_3이고 FQ‾=l4\displaystyle \overline{\mathrm{FQ}}=l_4라고 할 때, l3\displaystyle l_3과 l4\displaystyle l_4를 각각 구하시오.

【1-4】 타원 x24b2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{4b^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 위의 점 Q(x2,y2)\displaystyle \mathrm{Q}(x_2,y_2)에서의 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점을 R\displaystyle \mathrm{R}이라고 하자. ∠FQR=θ\displaystyle \angle\mathrm{FQR}=\theta라고 할 때, tan⁡θ\displaystyle \tan\theta를 구하시오.

해설강의 준비중
· 문항 【1-1】은 제시문 [가]의 타원의 정의로부터 타원 위의 점 P\displaystyle \mathrm{P}에서 두 초점까지의 거리의 합을 구하고 직각삼각형의 피타고라스 정리를 이용하여 두 거리의 곱을 구할 수 있는지 평가한다. 이차방정식의 근과 계수와의 관계로부터 각 거리를 구할 수 있는지 평가한다.

【1-1】 삼각형 F′PF\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}\mathrm{PF}가 직각 삼각형이므로 피타고라스 정리에 의하여 l12+l22=(23b)2=12b2\displaystyle l_1^2+l_2^2=(2\sqrt3b)^2=12b^2이다. 따라서 (l1+l2)2−2l1l2=l12+l22=12b2\displaystyle (l_1+l_2)^2-2l_1l_2=l_1^2+l_2^2=12b^2이다. 타원의 정의에 의하여 l1+l2=4b\displaystyle l_1+l_2=4b이므로, (4b)2−2l1l2=12b2\displaystyle (4b)^2-2l_1l_2=12b^2이고 l1l2=2b2\displaystyle l_1l_2=2b^2이다. 이차방정식의 근과 계수와의 관계에 의하여 l1\displaystyle l_1과 l2\displaystyle l_2는 t\displaystyle t에 관한 이차방정식 t2−(4b)t+2b2=0\displaystyle t^2-(4b)t+2b^2=0의 근이다. 이를 풀면, t=2b±2b\displaystyle t=2b\pm\sqrt2b이고 l1>l2\displaystyle l_1>l_2이므로l1=(2+2)b,l2=(2−2)b\displaystyle l_1=(2+\sqrt2)b,\quad l_2=(2-\sqrt2)b

· 문항 【1-2】는 두 직선이 수직일 때 두 직선의 기울기의 곱이 −1\displaystyle -1임을 이용하여 점 P\displaystyle \mathrm{P}의 좌표를 구할 수 있는지 평가한다.

【1-2】 점 P(x1,y1)\displaystyle \mathrm{P}(x_1,y_1)가 타원 x24b2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{4b^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 위에 있으므로x124b2+y12b2=1−−−(a)\displaystyle \frac{x_1^2}{4b^2}+\frac{y_1^2}{b^2}=1\quad---\quad\text{(a)}∠F′PF=90∘\displaystyle \angle\mathrm{F}^{\prime}\mathrm{PF}=90^\circ이므로 두 점 F′\displaystyle \mathrm{F}^{\prime}와 P\displaystyle \mathrm{P}를 지나는 직선의 기울기 y1x1+3b\displaystyle \frac{y_1}{x_1+\sqrt3b}과 두 점 F\displaystyle \mathrm{F}와 P\displaystyle \mathrm{P}를 지나는 직선의 기울기 y1x1−3b\displaystyle \frac{y_1}{x_1-\sqrt3b}은 y1x1+3b×y1x1−3b=−1\displaystyle \frac{y_1}{x_1+\sqrt3b}\times\frac{y_1}{x_1-\sqrt3b}=-1을 만족시킨다. 따라서x12=3b2−y12−−−(b)\displaystyle x_1^2=3b^2-y_1^2\quad---\quad\text{(b)}식 (b)를 식 (a)에 대입하면 3b2−y124b2+y12b2=1\displaystyle \frac{3b^2-y_1^2}{4b^2}+\frac{y_1^2}{b^2}=1이므로 3y12=b2\displaystyle 3y_1^2=b^2이다. y1>0\displaystyle y_1>0이므로 y1=33b\displaystyle y_1=\frac{\sqrt3}{3}b이고 식 (b)에 대입하면 x12=3b2−y12=3b2−13b2=83b2\displaystyle x_1^2=3b^2-y_1^2=3b^2-\frac13b^2=\frac83b^2이다. x1>0\displaystyle x_1>0이므로 x1=83b=263b\displaystyle x_1=\sqrt{\frac83}b=\frac{2\sqrt6}{3}b이다. 따라서(x1,y1)=(263b,33b)\displaystyle (x_1,y_1)=\left(\frac{2\sqrt6}{3}b,\frac{\sqrt3}{3}b\right)

· 문항 【1-3】은 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}와 두 초점으로 이루어진 삼각형에 대하여 코사인법칙을 적용하여 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}에서 두 초점까지의 거리를 구할 수 있는지 평가한다.

【1-3】 ∠F′FQ=135∘\displaystyle \angle\mathrm{F}^{\prime}\mathrm{FQ}=135^\circ이다. 삼각형 QF′F\displaystyle \mathrm{QF}^{\prime}\mathrm{F}에 코사인법칙을 적용하면l32=l42+(23b)2−2l4(23b)cos⁡135∘=l42+12b2+26b l4\displaystyle \begin{aligned}l_3^2&=l_4^2+(2\sqrt3b)^2-2l_4(2\sqrt3b)\cos135^\circ\\&=l_4^2+12b^2+2\sqrt6b\,l_4\end{aligned}l3+l4=4b\displaystyle l_3+l_4=4b이므로 l3=4b−l4\displaystyle l_3=4b-l_4를 위의 식에 대입하면 (4b−l4)2=l42+12b2+26b l4\displaystyle (4b-l_4)^2=l_4^2+12b^2+2\sqrt6b\,l_4이고 좌변을 전개한 후 계산하면 l4=48+26b=4−65b\displaystyle l_4=\frac4{8+2\sqrt6}b=\frac{4-\sqrt6}{5}b이고 l3=16+65b\displaystyle l_3=\frac{16+\sqrt6}{5}b이다.

· 문항 【1-4】는 제시문 [나]의 공식을 이용하여 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}에서 접선의 방정식을 구하고, 이 접선이 x\displaystyle x축과 만나는 점, 초점 F\displaystyle \mathrm{F}, 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}로 이루어진 삼각형에 대하여 제시문 [다]의 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 탄젠트 값을 구할 수 있는지 평가한다.

【1-4】 두 점 Q(x2,y2)\displaystyle \mathrm{Q}(x_2,y_2)와 F(c,0)\displaystyle \mathrm{F}(c,0)을 지나는 직선은 기울기가 tan⁡45∘=1\displaystyle \tan45^\circ=1이므로 y=x−3b\displaystyle y=x-\sqrt3b이다. 따라서y2=x2−3b−−−(c)\displaystyle y_2=x_2-\sqrt3b\quad---\quad\text{(c)}또한 Q(x2,y2)\displaystyle \mathrm{Q}(x_2,y_2)는 타원 x24b2+y2b2=1\displaystyle \frac{x^2}{4b^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 위에 있으므로x224b2+y22b2=1−−−(d)\displaystyle \frac{x_2^2}{4b^2}+\frac{y_2^2}{b^2}=1\quad---\quad\text{(d)}을 만족시킨다. 식 (c)를 (d)에 대입하여 정리하면 5x22−83bx2+8b2=0\displaystyle 5x_2^2-8\sqrt3bx_2+8b^2=0이므로 이차방정식의 근의 공식에 의해 x2=15(43±22)b\displaystyle x_2=\frac15(4\sqrt3\pm2\sqrt2)b이다. x2>3b\displaystyle x_2>\sqrt3b이어야 하므로 x2=22+435b\displaystyle x_2=\frac{2\sqrt2+4\sqrt3}{5}b이고 식 (c)에 대입하면 y2=22−35b\displaystyle y_2=\frac{2\sqrt2-\sqrt3}{5}b이다. 따라서Q(x2,y2)=Q(22+435b,22−35b)\displaystyle \mathrm{Q}(x_2,y_2)=\mathrm{Q}\left(\frac{2\sqrt2+4\sqrt3}{5}b,\frac{2\sqrt2-\sqrt3}{5}b\right)제시문 [나]에 의하여 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}에서 접선의 방정식은2+2310bx+22−35by=1\displaystyle \frac{\sqrt2+2\sqrt3}{10b}x+\frac{2\sqrt2-\sqrt3}{5b}y=1y=0\displaystyle y=0일 때 x=(23−2)b\displaystyle x=(2\sqrt3-\sqrt2)b이므로 점 R\displaystyle \mathrm{R}의 x\displaystyle x좌표는 x3=(23−2)b\displaystyle x_3=(2\sqrt3-\sqrt2)b이다. 점 Q\displaystyle \mathrm{Q}에서 x\displaystyle x축에 내린 수선의 발을 점 S(x2,0)\displaystyle \mathrm{S}(x_2,0)라 하고 ∠QRS=α\displaystyle \angle\mathrm{QRS}=\alpha라고 하면 tan⁡α=y2x3−x2=2+62\displaystyle \tan\alpha=\frac{y_2}{x_3-x_2}=\frac{2+\sqrt6}{2}이다. θ=135∘−α\displaystyle \theta=135^\circ-\alpha이므로 제시문 [다]로부터tan⁡θ=tan⁡(135∘−α)=tan⁡135∘−tan⁡α1+tan⁡135∘tan⁡α=−1−tan⁡α1−tan⁡α=3+263\displaystyle \tan\theta=\tan(135^\circ-\alpha)=\frac{\tan135^\circ-\tan\alpha}{1+\tan135^\circ\tan\alpha}=\frac{-1-\tan\alpha}{1-\tan\alpha}=\frac{3+2\sqrt6}{3}

고등학교 교육과정에서 다루는 기하 및 삼각함수의 기본적인 내용을 바탕으로 평면 위의 두 점 사이의 거리, 타원의 방정식, 두 직선의 수직 관계, 코사인법칙과 삼각함수의 덧셈정리 등을 제대로 이해하고 이를 다양한 상황에서 활용할 수 있는지를 평가한다. 특히, 타원의 방정식이 하나의 문자를 포함한 경우에도 점들 간의 거리와 삼각함수 값을 올바르게 구하고, 그 과정을 논리적으로 서술할 수 있는지를 확인한다. 구체적인 채점 기준은 다음과 같다.

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